IT201900000418A1 - Sensorized device for the analysis of a fluid by means of acoustic waves - Google Patents
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Description
Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo “Dispositivo sensorizzato per l’analisi di un fluido mediante onde acustiche” Description of the industrial invention entitled "Sensorized device for the analysis of a fluid using acoustic waves"
DESCRIZIONE DESCRIPTION
Ambito dell’invenzione Scope of the invention
La presente invenzione riguarda l’analisi di fluidi e la rilevazione di specifici analiti di interesse. The present invention relates to the analysis of fluids and the detection of specific analytes of interest.
In particolare, l’invenzione riguarda rilevazione di tali analiti mediante onde acustiche di superficie generate da sensori nanostrutturati. In particular, the invention relates to the detection of such analytes by surface acoustic waves generated by nanostructured sensors.
Descrizione della tecnica nota Description of the prior art
Grazie al rapido avanzamento tecnologico che si è avuto negli ultimi decenni in campo di micro e nanotecnologie, è diventata di grande interesse la cosiddetta “microfluidica”, ossia la tecnologia che permette la manipolazione di fluidi biologici, e non, su scala micrometrica. Thanks to the rapid technological advancement that has taken place in recent decades in the field of micro and nanotechnologies, the so-called "microfluidics", that is the technology that allows the manipulation of biological and non-biological fluids on a micrometric scale, has become of great interest.
Infatti, realizzare analisi in regime microfluidico mediante chip provvisti di adeguati sensori nanostrutturati comporta considerevoli vantaggi rispetto alle apparecchiature standard per le analisi di laboratorio, in quanto permette di realizzare sistemi completamente automatizzati, di dimensioni contenute e che richiedono un minimo intervento dell’operatore, incrementando inoltre l’efficienza del metodo grazie all’utilizzo di un minor volume di reagenti, pur conservando un’elevata sensibilità. Il tutto si traduce in costi notevolmente ridotti, in una minore complessità del metodo stesso e in un incremento della portabilità dello strumento di analisi. In fact, carrying out analyzes in microfluidic regime using chips equipped with suitable nanostructured sensors entails considerable advantages compared to standard laboratory analysis equipment, as it allows the creation of completely automated systems, of small size and which require minimal operator intervention, increasing moreover, the efficiency of the method thanks to the use of a smaller volume of reagents, while maintaining a high sensitivity. All this translates into significantly reduced costs, less complexity of the method itself and an increase in the portability of the analysis tool.
Un esempio di tali dispositivi è descritto in “A Rayleigh Surface Acoustic Wave (R-SAW) Resonator Biosensor based on Positive and Negative Reflectors with Sub-Nanomolar Limit of Detection” di M. Agostini, G. Greco e M. Cecchini pubblicato nel gennaio 2018. Il biosensore oggetto dell’articolo comprende un substrato piezoelettrico sul quale sono fabbricate delle strutture metalliche in grado di generare le onde acustiche di superficie (SAWs), in particolare di tipo Rayleigh (R-SAWs), tramite applicazione di radiofrequenza. An example of such devices is described in "A Rayleigh Surface Acoustic Wave (R-SAW) Resonator Biosensor based on Positive and Negative Reflectors with Sub-Nanomolar Limit of Detection" by M. Agostini, G. Greco and M. Cecchini published in January 2018. The biosensor object of the article comprises a piezoelectric substrate on which metal structures capable of generating surface acoustic waves (SAWs), in particular of the Rayleigh type (R-SAWs), are manufactured through the application of radio frequency.
Tale tecnologia può risultare di particolare interesse nel campo della diagnostica tempestiva, ossia il metodo di analisi effettuato su pazienti che ha come obiettivo quello di individuare la presenza di patologie a stadi iniziali. Infatti, le molecole che vedono modificata la propria concentrazione nei fluidi biologici dei pazienti possono essere indicatori (“biomarcatori”) di danneggiamenti o disfunzioni di organi interni, ancor prima che si osservino sintomi più gravi. Ad esempio è nota la possibilità di individuare l’insorgenza di tumori come il tumore al seno, il cancro al pancreas o il tumore alla prostata grazie al monitoraggio di specifici biomarcatori. Spesso la variazione della concentrazione di questi biomarcatori è rilevabile solo tramite complesse analisi di laboratorio, soprattutto nelle fasi iniziali della patologia. Per questo nel corso degli ultimi anni è emerso un grande interesse nell’ambito della ricerca accademica e industriale sullo sviluppo di sistemi di diagnostica tempestiva di facile utilizzo, portabili, con un’alta sensibilità, a basso costo e che permettano misurazioni veloci e affidabili. Il loro utilizzo non è limitato all’ambito biomedico. Questi dispositivi possono essere difatti impiegati anche per il monitoraggio ambientale e per la rilevazione di contaminanti nei cibi, previa opportuna individuazione degli analiti di interesse. This technology can be of particular interest in the field of timely diagnostics, that is the method of analysis carried out on patients whose aim is to identify the presence of pathologies at an early stage. In fact, the molecules that see their concentration changed in the biological fluids of patients can be indicators ("biomarkers") of damage or dysfunction of internal organs, even before more serious symptoms are observed. For example, the possibility of identifying the onset of tumors such as breast cancer, pancreatic cancer or prostate cancer is known thanks to the monitoring of specific biomarkers. Often the variation in the concentration of these biomarkers is detectable only through complex laboratory analyzes, especially in the initial stages of the disease. For this reason, over the last few years there has been a great deal of interest in academic and industrial research on the development of timely diagnostic systems that are easy to use, portable, with high sensitivity, low cost and that allow fast and reliable measurements. Their use is not limited to the biomedical field. In fact, these devices can also be used for environmental monitoring and for the detection of contaminants in food, after appropriate identification of the analytes of interest.
Tuttavia, nel campo dell’analisi di fluidi al fine dell’individuazione di analiti specifici, gli strumenti utilizzati fanno perlopiù uso di sensori di tipo ottico, difficilmente integrabili su di un chip di piccole dimensioni, mentre l’applicazione dei suddetti biosensori ad onde acustiche di superficie è ancora un campo di ricerca pioneristico e non vi sono, in questo caso, esempi di metodologie efficaci. However, in the field of fluid analysis in order to identify specific analytes, the instruments used mostly make use of optical sensors, which are difficult to integrate on a small chip, while the application of the aforementioned acoustic wave biosensors surface is still a pioneering field of research and there are no examples of effective methodologies in this case.
Sintesi dell’invenzione Summary of the invention
È quindi scopo della presente invenzione fornire un metodo per l’individuazione di analiti all’interno di un fluido che permetta di effettuare un’analisi di accuratezza e/o precisione pari o superiore rispetto ai metodi noti, facendo uso di dispositivi nanostrutturati, di ingombro notevolmente inferiore, con ovvi vantaggi in termini di trasportabilità. It is therefore an object of the present invention to provide a method for identifying analytes within a fluid which allows to carry out an analysis of accuracy and / or precision equal to or greater than the known methods, by making use of nanostructured devices, with dimensions considerably lower, with obvious advantages in terms of portability.
È anche scopo della presente invenzione fornire un tale metodo che consenta di ridurre i costi rispetto ai metodi tradizionali. It is also an object of the present invention to provide such a method which allows to reduce costs with respect to traditional methods.
È un ulteriore scopo della presente invenzione fornire un tale metodo che consenta di facilitare la ripetibilità delle analisi. It is a further object of the present invention to provide such a method which allows to facilitate the repeatability of the analyzes.
Questi ed altri scopi sono raggiunti da un metodo per l’individuazione di analiti all’interno di un fluido comprendente le fasi di: These and other purposes are achieved by a method for identifying analytes within a fluid comprising the steps of:
- predisposizione di un dispositivo sensorizzato comprendente almeno un sensore SAW, detto o ciascun sensore SAW comprendendo: - preparation of a sensorized device comprising at least one SAW sensor, called or each SAW sensor comprising:
- un substrato avente una superficie esterna comprendente almeno una porzione piezoelettrica; - almeno un trasduttore interdigitato emittente disposto sulla porzione piezoelettrica della superficie esterna, detto trasduttore interdigitato emittente essendo atto ad emettere un’onda acustica di superficie in risposta ad un segnale elettrico di ingresso; - a substrate having an outer surface comprising at least one piezoelectric portion; - at least one emitting interdigitated transducer arranged on the piezoelectric portion of the external surface, said emitting interdigitated transducer being able to emit a surface acoustic wave in response to an electrical input signal;
- almeno un elettrodo riflettore disposto sulla superficie esterna, detto elettrodo riflettore essendo atto a riflettere l’onda acustica verso detto il interdigitato emittente; - at least one reflector electrode arranged on the external surface, said reflector electrode being able to reflect the acoustic wave towards said interdigitated emitter;
- adsorbimento di una pluralità di sonde molecolari sulla superficie esterna del substrato e/o su detto o ciascun trasduttore interdigitato emittente e/o su detto o ciascun elettrodo riflettore; - adsorption of a plurality of molecular probes on the external surface of the substrate and / or on said or each emitting interdigitated transducer and / or on said or each reflector electrode;
- invio di n segnali elettrici di ingresso, aventi rispettive frequenze f i, con i = 1,… , n, al trasduttore interdigitato emittente e conseguente emissione da parte di detto o ciascun trasduttore interdigitato emittente di almeno un’onda acustica di superficie; - sending n electrical input signals, having respective frequencies f i, with i = 1, ..., n, to the emitting interdigitated transducer and consequent emission by said or each emitting interdigitated transducer of at least one surface acoustic wave;
- riflessione da parte di detto o ciascun elettrodo riflettore di detta o ciascuna onda acustica di superficie emessa; - reflection by said or each reflector electrode of said or each emitted surface acoustic wave;
- individuazione, tra le n frequenze f i dei segnali elettrici di ingresso, di almeno una frequenza di risonanza f r corrispondente alla generazione di un’onda acustica di superficie avente potenza superiore ad una predeterminata soglia P T; - identification, among the n frequencies f i of the electrical input signals, of at least one resonance frequency f r corresponding to the generation of a surface acoustic wave having a power greater than a predetermined threshold P T;
- convogliamento del fluido sulla superficie esterna e/o su detto o ciascun trasduttore interdigitato emittente e/o su detto o ciascun elettrodo riflettore; - conveying the fluid on the external surface and / or on said or each emitting interdigitated transducer and / or on said or each reflector electrode;
- rimozione del fluido dalla superficie esterna e/o da detto o ciascun trasduttore interdigitato emittente e/o da detto o ciascun elettrodo riflettore; - removing the fluid from the external surface and / or from said or each emitting interdigitated transducer and / or from said or each reflector electrode;
- verifica di un eventuale cambio di valore di almeno una frequenza di risonanza f r precedentemente individuata. - verification of a possible change in value of at least a previously identified resonance frequency f r.
In particolare, è possibile scegliere la frequenza di risonanza individuata, o una di quelle individuate, e valutare se, dopo il passaggio del fluido, un segnale elettrico a quella frequenza produce ancora un’onda acustica avente potenza pari a quella precedentemente rilevata. In particular, it is possible to choose the resonant frequency identified, or one of those identified, and evaluate whether, after the passage of the fluid, an electrical signal at that frequency still produces an acoustic wave with power equal to that previously detected.
Alternativamente, è possibile emettere una nuova pluralità di segnali elettrici e rilevare una nuova frequenza (o una pluralità di nuove frequenze) di risonanza e confrontare tali frequenze rilevate con quelle individuate prima del passaggio del fluido. Alternatively, it is possible to emit a new plurality of electrical signals and detect a new frequency (or a plurality of new frequencies) of resonance and compare these detected frequencies with those detected before the passage of the fluid.
In entrambi i casi, se non sono cambiati parametri che influenzano la posizione delle frequenze di risonanza in maniera non desiderata (come temperatura e pressione), e se la frequenza di risonanza di riferimento non è variata, significa che non è variata la densità di massa della superficie esterna del substrato o degli elettrodi dei trasduttori e dei riflettori, e dunque significa che nel fluido analizzato non erano presenti gli analiti ricercati, ossia le molecole atte a creare un legame con le sonde molecolari adsorbite sul sensore. In both cases, if parameters affecting the position of the resonant frequencies have not changed in an undesirable way (such as temperature and pressure), and if the reference resonant frequency has not changed, it means that the mass density has not changed. of the external surface of the substrate or of the electrodes of the transducers and reflectors, and therefore it means that in the analyzed fluid the required analytes were not present, i.e. the molecules capable of creating a bond with the molecular probes adsorbed on the sensor.
Viceversa, la variazione della frequenza di risonanza risulta funzione della variazione della densità di massa della superficie esterna e, dunque, alla concentrazione degli analiti presenti nel fluido analizzato. Vice versa, the variation of the resonance frequency is a function of the variation of the mass density of the external surface and, therefore, of the concentration of the analytes present in the analyzed fluid.
La variazione della densità di massa può essere positiva, in caso che gli analiti si leghino alla sonda molecolare, oppure negativa, in caso che gli analiti taglino la sonda molecolare. The change in mass density can be positive, if the analytes bind to the molecular probe, or negative, if the analytes cut the molecular probe.
Rispetto ai dispositivi che fanno uso di un sensore ottico accoppiato ad un trasduttore, questa soluzione permette, essendo completamente elettrica ed integrabile su un chip, di avere un ingombro notevolmente inferiore ed una maggiore praticità di utilizzo, rendendo il dispositivo un laboratorio di analisi dei fluidi facilmente trasportabile. Compared to devices that make use of an optical sensor coupled to a transducer, this solution allows, being completely electrical and integrable on a chip, to have a considerably smaller footprint and greater ease of use, making the device a fluid analysis laboratory. easily transportable.
Vantaggiosamente, detta fase di adsorbimento di una pluralità di sonde molecolari avviene su detto o ciascun trasduttore interdigitato emittente e/o su detto o ciascun elettrodo riflettore. Advantageously, said adsorption step of a plurality of molecular probes takes place on said or each emitting interdigitated transducer and / or on said or each reflector electrode.
In particolare, il dispositivo sensorizzato comprende inoltre un trasduttore interdigitato ausiliario e, in contemporanea o a monte della fase di convogliamento del fluido sulla superficie esterna, è prevista una fase di emissione, da parte del trasduttore interdigitato ausiliario, di un’onda acustica di superficie a frequenza f t per introdurre turbolenza nel fluido. In particular, the sensorized device also comprises an auxiliary interdigitated transducer and, at the same time or upstream of the phase of conveying the fluid on the external surface, a phase of emission, by the auxiliary interdigitated transducer, of a surface acoustic wave is provided. frequency f t to introduce turbulence into the fluid.
In tal modo, si aumenta la probabilità di creazione di legami molecolari tra gli analiti e le sonde molecolari, aumentando l’efficienza nella rilevazione degli analiti stessi. In this way, the probability of creating molecular bonds between the analytes and the molecular probes is increased, increasing the efficiency in the detection of the analytes themselves.
Vantaggiosamente, le frequenze f i delle n onde acustiche di superficie emesse dal trasduttore interdigitato emittente sono maggiori di 800 M H z, mentre la frequenza f t emessa dal trasduttore interdigitato ausiliario è minore di 800 M H z. Advantageously, the frequencies f i of the n surface acoustic waves emitted by the emitting interdigitated transducer are greater than 800 M H z, while the frequency f t emitted by the auxiliary interdigitated transducer is less than 800 M H z.
Vantaggiosamente, il dispositivo sensorizzato comprende almeno due sensori SAW ed un’unità di controllo ed è inoltre prevista una fase di comparazione tra i segnali elettrici di uscita convertiti dai trasduttori interdigitati riceventi degli almeno due sensori SAW per ridurre il rumore sui segnali elettrici di uscita e individuare con maggiore precisione detta o ciascuna frequenza di risonanza f r. Advantageously, the sensorized device comprises at least two SAW sensors and a control unit and a comparison step is also provided between the electrical output signals converted by the interdigitated transducers receiving the at least two SAW sensors to reduce the noise on the electrical output signals and identify more precisely said or each resonant frequency f r.
Rispetto a dispositivi che fanno uso di un solo sensore SAW, questa soluzione permette di aumentare la precisione dell’analisi grazie alla misurazione differenziale che agisce come filtro sul segnale di risposta. Compared to devices that use a single SAW sensor, this solution allows to increase the accuracy of the analysis thanks to the differential measurement that acts as a filter on the response signal.
In particolare, il dispositivo sensorizzato comprende almeno un canale microfluidico atto a convogliare il fluido lungo un percorso predeterminato sulla superficie esterna, in modo tale da permettere il contenimento del fluido all’interno di un volume ridotto in cui avviene l’analisi. In particular, the sensorized device includes at least one microfluidic channel designed to convey the fluid along a predetermined path on the external surface, in such a way as to allow the containment of the fluid within a small volume in which the analysis takes place.
Questa soluzione permette di utilizzare un volume di fluido ridotto rispetto ai dispositivi di tecnica nota, riducendone il consumo, oltre ad aumentare il rapporto superficie/volume con un conseguente aumento delle performance diagnostiche, e dunque la possibilità di incrementare notevolmente il numero di analisi effettuate sullo stesso dispositivo. This solution makes it possible to use a reduced volume of fluid compared to prior art devices, reducing consumption, as well as increasing the surface / volume ratio with a consequent increase in diagnostic performance, and therefore the possibility of significantly increasing the number of analyzes carried out on the same device.
Vantaggiosamente, vi è una fase di individuazione di almeno due frequenze di risonanza f r. Advantageously, there is a step for identifying at least two resonance frequencies f r.
Questa soluzione permette di ricevere più di un segnale contemporaneamente, potendo fare una comparazione che riduce il rumore del segnale stesso. This solution allows to receive more than one signal at the same time, being able to make a comparison that reduces the noise of the signal itself.
Secondo un altro aspetto dell’invenzione, si rivendica un dispositivo sensorizzato per l’individuazione di analiti all’interno di un fluido, detto dispositivo sensorizzato comprendendo almeno un sensore SAW, detto o ciascun sensore SAW comprendendo: According to another aspect of the invention, a sensorized device for the identification of analytes within a fluid is claimed, said sensorized device comprising at least one SAW sensor, said or each SAW sensor comprising:
- un substrato piezoelettrico avente una superficie esterna; - a piezoelectric substrate having an outer surface;
- un trasduttore interdigitato emittente disposto sulla superficie esterna, detto trasduttore interdigitato emittente essendo atto ad emettere un’onda acustica di superficie in risposta ad un segnale elettrico di ingresso; - an emitting interdigitated transducer arranged on the external surface, said emitting interdigitated transducer being able to emit a surface acoustic wave in response to an electrical input signal;
- almeno un elettrodo riflettore disposto sulla superficie esterna, detto elettrodo riflettore essendo atto a riflettere l’onda acustica verso il trasduttore interdigitato emittente. - at least one reflector electrode arranged on the external surface, said reflector electrode being able to reflect the acoustic wave towards the emitting interdigitated transducer.
La presente invenzione presenta dunque un dispositivo interamente integrabile all’interno di un chip, in grado di effettuare analisi di elevata sensibilità rispetto agli strumenti di tipo tradizionale, in modo da consentire l’attuazione del suddetto metodo. The present invention therefore presents a device that can be fully integrated into a chip, capable of carrying out high sensitivity analyzes compared to traditional instruments, in order to allow the implementation of the aforementioned method.
Vantaggiosamente, è inoltre previsto un trasduttore interdigitato ausiliario atto ad emettere un’onda acustica di superficie a frequenza f t per introdurre turbolenza nel fluido, e in cui le frequenze f i delle n onde acustiche di superficie emesse dal trasduttore interdigitato emittente sono maggiori di 800 M H z, mentre la frequenza f t emessa dal trasduttore interdigitato ausiliario è minore di 800 M H z. Advantageously, an auxiliary interdigitated transducer is also provided, capable of emitting a surface acoustic wave at frequency f t to introduce turbulence into the fluid, and in which the frequencies f i of the n surface acoustic waves emitted by the emitting interdigitated transducer are greater than 800 M H z , while the frequency f t emitted by the auxiliary interdigitated transducer is less than 800 M H z.
In particolare, sono inoltre previsti almeno due sensori SAW ed un’unità di controllo atta a realizzare una comparazione tra i segnali elettrici di uscita convertiti dai trasduttori interdigitati riceventi degli almeno due sensori SAW per ridurre il rumore sui segnali elettrici di uscita. In particular, at least two SAW sensors and a control unit are also provided for making a comparison between the electrical output signals converted by the interdigitated transducers receiving the at least two SAW sensors to reduce the noise on the electrical output signals.
In particolare, è inoltre previsto almeno un canale microfluidico atto a convogliare il fluido lungo un percorso predeterminato sulla superficie esterna, in modo tale da permettere il contenimento del fluido all’interno di un volume ridotto in cui avviene detta analisi. In particular, at least one microfluidic channel is also provided for conveying the fluid along a predetermined path on the external surface, in such a way as to allow the containment of the fluid within a reduced volume in which said analysis takes place.
In particolare, detto o ciascun sensore SAW è un sensore R-SAW atto a generare onde acustiche di superficie di tipo Rayleigh [Rayleigh Surface Acustic Wave]. In particular, said or each SAW sensor is an R-SAW sensor suitable for generating surface acoustic waves of the Rayleigh type [Rayleigh Surface Acoustic Wave].
Vantaggiosamente, il substrato piezoelettrico è realizzato in niobato di litio [LN]. Advantageously, the piezoelectric substrate is made of lithium niobate [LN].
Questo materiale permette la trasmissione delle onde acustiche di superficie R-SAW almeno in una direzione. This material allows the transmission of R-SAW surface acoustic waves in at least one direction.
In particolare, il substrato ha taglio “Y-cut 128° X-rotated”. In particular, the substrate has a “Y-cut 128 ° X-rotated” cut.
In tal modo il substrato permette la trasmissione delle onde acustiche di superficie R-SAW almeno in due direzioni. In this way the substrate allows the transmission of the surface acoustic waves R-SAW in at least two directions.
Breve descrizione dei disegni Brief description of the drawings
Ulteriori caratteristiche e/o vantaggi della presente invenzione risulteranno più chiari con la descrizione che segue di una sua forma realizzativa, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni annessi in cui: Further characteristics and / or advantages of the present invention will become clearer with the following description of an embodiment thereof, given by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings in which:
- la figura 1 mostra il diagramma di flusso di un metodo per l’individuazione di analiti all’interno di un fluido, secondo la presente invenzione; - Figure 1 shows the flow chart of a method for identifying analytes within a fluid, according to the present invention;
- la figura 2A mostra una possibile forma realizzativa del dispositivo sensorizzato per l’individuazione di analiti all’interno di un fluido, secondo la presente invenzione; - Figure 2A shows a possible embodiment of the sensorized device for the identification of analytes within a fluid, according to the present invention;
- la figura 2B mostra una possibile variante realizzativa del dispositivo sensorizzato; - le figure 3A, 3B, 3C, 3D, 3E e 3F mostrano alcune possibili disposizioni dei trasduttori interdigitati e degli elettrodi riflettenti sulla superficie esterna del substrato. Figure 2B shows a possible variant embodiment of the sensorized device; - Figures 3A, 3B, 3C, 3D, 3E and 3F show some possible arrangements of the interdigitated transducers and of the reflecting electrodes on the external surface of the substrate.
Descrizione di alcune forme realizzative preferite Con riferimento al diagramma di flusso 300 di figura 1, il metodo per l’individuazione di analiti all’interno di un fluido, secondo la presente invenzione, comprende una prima fase di predisposizione di un dispositivo sensorizzato 100, di cui una possibile forma realizzativa è mostrata in figura 2A [301]. Description of some preferred embodiments With reference to the flow chart 300 of Figure 1, the method for identifying analytes within a fluid, according to the present invention, comprises a first step of preparing a sensorized device 100, of wherein a possible embodiment is shown in figure 2A [301].
In particolare, il dispositivo sensorizzato 100 di figura 2A comprende 4 sensori SAW 110, ciascuno dei quali comprendente a sua volta un substrato 115 avente una superficie esterna 115’ con almeno una porzione piezoelettrica. Con riferimento anche alle figure 3A, 3B, 3C, 3D, 3E e 3F ciascun sensore SAW 110 comprende almeno un trasduttore interdigitato emittente 111 ed almeno un elettrodo riflettore 112 disposti sulla porzione piezoelettrica della superficie esterna 115’. In particolare, il trasduttore interdigitato emittente 111 è atto ad emettere un’onda acustica di superficie in risposta ad un segnale elettrico di ingresso, mentre l’elettrodo riflettore 112 è atto a riflettere l’onda acustica verso il trasduttore interdigitato emittente 111. In particular, the sensorized device 100 of Figure 2A comprises 4 SAW sensors 110, each of which in turn comprising a substrate 115 having an external surface 115 'with at least one piezoelectric portion. With reference also to figures 3A, 3B, 3C, 3D, 3E and 3F each SAW sensor 110 comprises at least one emitting interdigitated transducer 111 and at least one reflector electrode 112 arranged on the piezoelectric portion of the external surface 115 '. In particular, the emitting interdigitated transducer 111 is able to emit a surface acoustic wave in response to an electrical input signal, while the reflector electrode 112 is able to reflect the acoustic wave towards the emitting interdigitated transducer 111.
Inoltre, il dispositivo sensorizzato 100 può comprendere almeno un trasduttore interdigitato ausiliario 120 atto ad emettere un’onda acustica di superficie a frequenza f t per introdurre turbolenza nel fluido. Furthermore, the sensorized device 100 can comprise at least one auxiliary interdigitated transducer 120 adapted to emit a surface acoustic wave at frequency f t to introduce turbulence into the fluid.
Con riferimento ancora al diagramma di flusso 300 di figura 1, il metodo prevede poi una fase di adsorbimento di una pluralità di sonde molecolari sulla superficie esterna 115’ del substrato 115 e/o sugli elettrodi del trasduttore interdigitato emittente 111 e dell’elettrodo riflettore 112 [302]. With reference again to the flow chart 300 of Figure 1, the method then provides for an adsorption step of a plurality of molecular probes on the outer surface 115 'of the substrate 115 and / or on the electrodes of the emitting interdigitated transducer 111 and of the reflector electrode 112 [302].
Successivamente vi è una fase di invio di n segnali elettrici di ingresso, aventi rispettive frequenze f i, con i = 1, … , n, al trasduttore interdigitato emittente 111 e conseguente emissione di almeno un’onda acustica di superficie [303]. Subsequently there is a phase of sending n electrical input signals, having respective frequencies f i, with i = 1, ..., n, to the emitting interdigitated transducer 111 and consequent emission of at least one surface acoustic wave [303].
Vi è quindi una fase di riflessione da parte di detto o ciascun elettrodo riflettore 112 di detta o ciascuna onda acustica di superficie emessa [304]. There is therefore a phase of reflection by said or each reflector electrode 112 of said or each emitted surface acoustic wave [304].
Sulla base del segnale riflesso e/o trasmesso, è possibile individuare, tra le n frequenze f i dei segnali elettrici di ingresso, almeno una frequenza di risonanza f r corrispondente alla generazione di un’onda acustica di superficie avente potenza superiore ad una predeterminata soglia P T [305]. Questa individuazione può essere fatta graficamente, individuando, nello spettro del segnale riflesso, i picchi superiori ad un certo valore, ossia in corrispondenza dei quali l’onda acustica è stata effettivamente generata e dunque l’energia del segnale riflesso è bassa o nulla. On the basis of the reflected and / or transmitted signal, it is possible to identify, among the n frequencies f i of the electrical input signals, at least one resonance frequency f r corresponding to the generation of a surface acoustic wave having a power higher than a predetermined threshold P T [ 305]. This identification can be done graphically, by identifying, in the spectrum of the reflected signal, the peaks above a certain value, ie at which the acoustic wave was actually generated and therefore the energy of the reflected signal is low or zero.
Si ha quindi una fase di convogliamento del fluido in corrispondenza delle sonde molecolari, ossia sulla superficie esterna 115’ del substrato 115 e/o sugli elettrodi del trasduttore interdigitato emittente 111 e dell’elettrodo riflettore 112 [306]. There is therefore a phase of conveying the fluid in correspondence with the molecular probes, ie on the external surface 115 'of the substrate 115 and / or on the electrodes of the emitting interdigitated transducer 111 and of the reflector electrode 112 [306].
Con riferimento a figura 2B, in una forma realizzativa preferita, il dispositivo 100 comprende almeno un canale microfluidico 130 atto a realizzare la fase di convogliamento incanalando il fluido lungo un percorso predeterminato sulla superficie esterna 115’, in modo tale da permettere il contenimento del liquido fluidico all’interno di un’area ridotta in cui avviene l’analisi. Il canale microfluidico 130 può comprendere inoltre una camera di analisi 130’ in corrispondenza di ciascun sensore SAW 110 atta a permettere lo stazionamento e/o il passaggio del fluido sugli elettrodi di tali sensori SAW 110. With reference to Figure 2B, in a preferred embodiment, the device 100 comprises at least one microfluidic channel 130 suitable for carrying out the conveying step by channeling the fluid along a predetermined path on the external surface 115 ', in such a way as to allow the containment of the liquid fluidic within a small area where the analysis takes place. The microfluidic channel 130 can also comprise an analysis chamber 130 'at each SAW 110 sensor designed to allow the stationing and / or passage of the fluid on the electrodes of these SAW 110 sensors.
In una forma realizzativa preferita, il dispositivo 100 comprende almeno un trasduttore interdigitato ausiliario 120 atto ad emettere un’onda acustica di superficie a frequenza f t per introdurre turbolenza nel fluido. In a preferred embodiment, the device 100 comprises at least one auxiliary interdigitated transducer 120 adapted to emit a surface acoustic wave at frequency f t to introduce turbulence into the fluid.
Successivamente si ha una fase di rimozione del fluido dall’area in cui era stato convogliato [307]. Subsequently there is a phase of removal of the fluid from the area in which it was conveyed [307].
Si ha quindi una fase di verifica di un eventuale cambio di valore di almeno una frequenza di risonanza f r precedentemente individuata [308]. There is therefore a verification phase of a possible change in value of at least a resonance frequency f r previously identified [308].
La descrizione di cui sopra di alcune forme realizzative specifiche è in grado di mostrare l’invenzione dal punto di vista concettuale in modo che altri, utilizzando la tecnica nota, potranno modificare e/o adattare in varie applicazioni tale forma realizzativa specifica senza ulteriori ricerche e senza allontanarsi dal concetto inventivo, e, quindi, si intende che tali adattamenti e modifiche saranno considerabili come equivalenti della forma realizzativa specifica. I mezzi e i materiali per realizzare le varie funzioni descritte potranno essere di varia natura senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione. Si intende che le espressioni o la terminologia utilizzate hanno scopo puramente descrittivo e per questo non limitativo. The above description of some specific embodiments is able to show the invention from the conceptual point of view so that others, using the known technique, will be able to modify and / or adapt this specific embodiment in various applications without further research and without departing from the inventive concept, and, therefore, it is understood that such adaptations and modifications will be considered as equivalent to the specific embodiment. The means and materials for carrying out the various functions described may be of various nature without thereby departing from the scope of the invention. It is understood that the expressions or terminology used have a purely descriptive purpose and therefore not limitative.
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040101975A1 (en) * | 2001-01-30 | 2004-05-27 | Christoph Gauer | Method for analysing macromolecules |
| US20060049714A1 (en) * | 2004-09-03 | 2006-03-09 | James Liu | Passive wireless acoustic wave chemical sensor |
| US20090282902A1 (en) * | 2006-08-17 | 2009-11-19 | Peter Warthoe | Bio surface acoustic wave (saw) resonator amplification for detection of a target analyte |
Family Cites Families (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10117772C2 (en) * | 2001-04-09 | 2003-04-03 | Advalytix Ag | Mixing device and mixing method for mixing small amounts of liquid |
| CN1176527C (en) * | 2002-02-07 | 2004-11-17 | 重庆大学 | Passive wireless ASW muti-sensor system and its frequency-division recognition method |
| US7399280B2 (en) * | 2004-04-21 | 2008-07-15 | Honeywell International Inc. | Passive and wireless in-vivo acoustic wave flow sensor |
| JP4504106B2 (en) * | 2004-06-11 | 2010-07-14 | 株式会社アルバック | Measuring method using surface acoustic wave device |
| US7398685B2 (en) * | 2004-06-11 | 2008-07-15 | Ulvac, Inc. | Measuring method using surface acoustic wave device, and surface acoustic wave device and biosensor device |
| GB0420155D0 (en) * | 2004-09-10 | 2004-10-13 | Univ Cambridge Tech | Liquid mixing/reactor device and method |
| US7942568B1 (en) * | 2005-06-17 | 2011-05-17 | Sandia Corporation | Active micromixer using surface acoustic wave streaming |
| US7500379B2 (en) * | 2006-06-26 | 2009-03-10 | Applied Sensor Research & Development Corporation | Acoustic wave array chemical and biological sensor |
| CN101644608B (en) * | 2009-05-20 | 2013-05-29 | 中国科学院声学研究所 | Integrated surface acoustic wave wireless temperature sensor |
| US9157298B2 (en) * | 2011-12-16 | 2015-10-13 | Halliburton Energy Services, Inc. | Fluid flow control |
| US9726646B1 (en) * | 2013-05-29 | 2017-08-08 | National Technology & Engineering Solutions Of Sandia, Llc | Resonant surface acoustic wave chemical detector |
| US10031140B1 (en) * | 2015-01-26 | 2018-07-24 | University Of South Florida | Orthogonal SAW transducers on substrate for simultaneous biofouling removal and biosensing |
| CN108593765A (en) * | 2018-04-04 | 2018-09-28 | 深圳大学 | A kind of biosensor and its detection method based on surface acoustic wave pattern |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040101975A1 (en) * | 2001-01-30 | 2004-05-27 | Christoph Gauer | Method for analysing macromolecules |
| US20060049714A1 (en) * | 2004-09-03 | 2006-03-09 | James Liu | Passive wireless acoustic wave chemical sensor |
| US20090282902A1 (en) * | 2006-08-17 | 2009-11-19 | Peter Warthoe | Bio surface acoustic wave (saw) resonator amplification for detection of a target analyte |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| M. AGOSTINI; G. GREEK; M. CECCHINI, A RAYLEIGH SURFACE ACOUSTIC WAVE (R-SA WRESONATOR BIOSENSOR BASED ON POSITIVE AND NEGATIVE REFLECTORS WITH SUB-NANOMOLAR LIMIT OF DETECTION, January 2018 (2018-01-01) |
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